Soutenance mémoire
Notre machine
D’après des études faites sur le marché libanais, on a trouvé que la fabrication d’ un hémisphère métallique est réalisé dans la plupart des entreprises par des méthodes discontinues à cause du prix très élevé d’une « flanging machine » importée des pays industrielles, en plus une telle machine est à commande semi-automatique, très complexe à cause du mouvement des organes de la machine (inférieure et supérieure) compliques et qui doivent être synchronises entre eux afin d’obtenir la forme parabolique exacte du périphérie de l’hémisphère métallique désire, ce qui rend difficile aux techniciens libanais de comprendre le mécanisme de la machine.
Donc l’objectif de notre projet est de concevoir une machine automatisée qui sert à déformer une plaque circulaire pour la transformer en une calotte demi sphérique dans le but de fabriquer un réservoir de stockage sous pression de forme sphérique en deux pièces demi-sphérique seulement soudées entre elle et sur une seule machine.
Conception préliminaire de la machine
Calcul de l’effort nécessaire pour déformer la plaque
Le disque métallique est soumis à la flexion. L’effort nécessaire pour déformer la plaque et obtenir le déplacement nécessaire est détermine par une simulation sur le programme Solid-Works concernant le déplacement maximal et la contrainte maximale dans chaque étape du fonctionnement de la machine.
La machine effectue la déformation de la plaque en fonctionnant sur plusieurs étapes ou dans chaque étape l’effort applique, la position des appuis et la position des vérins appliquant la force de déformation sont différents, tout en conservant le mouvement cinématique principale de la machine montre dans la fig.1.10 (mouvement cinématique de la machine).
Les caractéristiques de la plaque dans notre étude sont :
Dimension : rayon au début= 785.4mm, épaisseur de la plaque= 8mm
Matériel : plaque d’acier :
Module d’Young = 20.5*104MPA
Limite d’élasticité = 425 MPA
Limite de rupture = 282.69 MPA
Rayon de l’hémisphère après la déformation = 600 mm
Cette étude est faite pour pouvoir déterminer la force minimale que doit être appliquer afin d’obtenir une déformation de la plaque sans que les contraintes dépassent la limite de rupture du matériau.
Démarche et étape de fonctionnement de la machine
Le fonctionnement de la machine passe par plusieurs étape jusqu’à arriver à la déformation désirée de la machine.
Ces étapes seront programmes par un « PLC »pour chaque déformation désirée et la machine sera automatisée.
Calcul de dimensionnement des éléments assurant la rotation de la plaque
Comme le-montre les figures ci-dessous, le moteur hydraulique assure la translation de la plaque à travers un système d’axe, roulement, coussinet et galet à l’extrémité libre de l’axe.
La plaque supportant le moteur est relie à la structure de la machine d’une part à travers des charnières et de l’autre part par deux ressort installe sur chaque extrémité, ces deux ressorts joue le rôle d’absorption des vibrations de la plaque et permettent au galet de rester en contact avec la plaque le long du fonctionnement.
L’arbre portant le galet de rotation est lie de l’autre cote au moteur hydraulique
Le calcul à faire est un calcul de flexion pour l’arbre du moteur, pendant le fonctionnement les appuis supporte la force de flexion et le poids de la plaque, le fait de relie la structure du moteur a des ressorts on a négligé la force appliquer sur cette structure, et par suite la position du galet de rotation n’affecte plus la flexion de la plaque. Mais pour plus de sécurité on considère que l’axe est soumis à une force égale à celle des appuis.
Calcul de conception hydraulique
Introduction
Les systèmes hydrauliques de nombreux avantages : [16] :
La transmission des forces et des couples élevées.
Une grande souplesse d’utilisation dans des nombreux domaines.
Une très bonne régulation de la vitesse sur les appareilles moteurs (moteurs hydrauliques ou vérins) du fait de l’incompressibilité du fluide.
Le démarrage en charge des moteurs hydrauliques et des vérins.
Une augmentation de la longévité des composants (tiroir des distributeurs) du fait de la présence de l’huile possédant un excellent moyen de lubrification.
Comme indique la figure, le système hydraulique de notre machine est constitué des éléments suivants:
Caractéristiqueset dimensionnement des vérins hydrauliques double effet:
Un vérin hydraulique double effet est un vérin moteur dans les deux sens, il peut donc travailler en poussant et en tirant.
Les caractéristiques du vérin
Lors de la détermination d’un vérin, l’utilisateur devra définir : [20] :
L’alésage du vérin
Sa course
Le diamètre de sa tige (normale ou renforcée)
S’il doit être ou non équipe d’amortissements.
La pression de service et le type d’usage
Le mode de fixation et l’extrémité de la tige
La nature du fluide utilise.
De plus certains constructeurs peuvent équiper leurs vérins de soupape d’équilibrage, de valves de décélération, de limiteurs de pression ou de clapets de réalimentation. Ces dispositifs sont surtout utilises en usage intensif ou lourd et doivent figurer dans la définition du vérin. Il reste toutefois certaines vérifications à faire :
Dans le cas de vérins a longue course :
o Vérifier la tige de piston au flambage
o Déterminer les entretoises.
Dans le cas de vérins susceptibles d’absorber d’importantes énergies cinétiques (charges très lourdes, vitesses élevées), il faudra :
o Calculer la pression dans la chambre en fin d’amortissement et vérifier si la classe du vérin (160bars, 206 bars, 350bars) est correcte.
Détermination de l’alésage d’un vérin standard
Il faudra connaitre ou déterminer : [16] ;
La force théorique nécessaire
La pression de service
La course
La durée de la course autrement dit la vitesse de translation
On pourrait majorer de 10 à 15% la force estimée, le rendement des vérins se situant dans les meilleurs cas entre 0.92 et 0.95. Mais dans la pratique on a souvent tendance à ne considérer que la force estimée et l’on se réserve une marge de pression de 15 à 20%. Cette façon de faire permet de conserver une marge de force nécessaire pour communiquer l’accélération (donc la vitesse) à la masse, mais elle est moins proche de la réalité.
Mode opération :
Déterminer la force théorique : F’= F/0.9
Calculer la section nécessaire : S= F/P
Rechercher le diamètre normalise le plus proche.
A partir de la section normalisée obtenir, recalculer la nouvelle
valeur de pression nécessaire pour obtenir la force : P = F/S’.
Vérification de la tige au flambage
Une pièce longue, chargée en bout, aura tendance à fléchir même si la charge est bien dans l’axe. C’est la flexion latérale ou flambage. Les tiges de vérin sont donc des pièces soumises au flambage : [16], [20].
Caractéristiques et dimensionnement de la pompe hydraulique
La pompe hydraulique transforme l’énergie mécanique en énergie hydraulique. Il existe deux types de pompes : [17], [18] : o Les pompes non volumétriques : ces pompes n’ayant pas d’étanchéité interne, ne permettent pas de gain de pression important. Leurs fuites internes sont élevées. Elles fournissent des débits élevés sous de faibles pressions et sont surtout utilisées comme pompes de transfert (généralement de l’eau). o Les pompes volumétriques : le débit est obtenu par réduction de volume de capacités en mouvement. Le débit est généralement pulsatif et varie peu lorsque la pression augmente. En effet il existe une étanchéité entre les pièces en mouvement, et les fuites internes de ces pompes sont assez faibles. Donc ce type des pompes fournit des pressions très élevés sous de faibles débits.
Caractéristiqueset dimensionnement des tuyauteries
Sur un système hydraulique, les composants sont relies entre eux par des tuyauteries munies de raccords. Il existe deux sortes de tuyauteries entrant dans la constitution des systèmes hydrauliques : [16], [20] :
o Les tuyauteries souples : Elles sont destinées aux systèmes comportant des éléments mobiles, comme les engins de travaux publics, les élévateurs, etc. Elles sont en caoutchouc synthétique avec, à l’intérieur, une armature métallique.
o Les tuyauteries rigides : ces tuyauteries sont destinées aux systèmes fixes, comme les presses, les machines-outils, etc. Elles sont en acier, en cuivre ou en alliage d’aluminium.
Dans notre machine les tuyauteries souples convient plus bon. On choisit des tuyauteries haute pression qui peut supporter la pression maximal dans le circuit (soit P=250 bars) constitues de plusieurs tresses métalliques avec tresses textile.
Caractéristiques et dimensionnement des distributeurs
Le rôle des distributeurs est de diriger la circulation du fluide hydraulique de façon à contrôler le sens du mouvement ou l’arrêt d’un récepteur : [18].
Le système de contrôle de notre machine est totalement automatise, donc le distributeur dans notre système est un pré-actionneur qui joue le rôle d’interface entre la partie commande et la partie opérative. Dans ce cas la commande du distributeur est électrique, pneumatique ou hydraulique.
On choisit des distributeurs ayant les caractéristiques suivantes :
Le type est distributeur à tiroir
4/3 centre tandem (4 orifices, 3 positions)
Commande électrique avec ressort de rappel dans les deux sens d’alimentation
Peut supporter une pression P=250 bars
La cylindrée du distributeur est capable de recevoir un débit de passage = le débit de la pompe Q= 2 GPM
Caractéristiques et dimensionnement des diviseurs de débit
Les diviseurs de débit sont en général utilises pour assure un fonctionnement en parallèle de deux récepteurs (dans notre cas les vérins hydrauliques). Leurs débit d’alimentation respectifs sont égaux et sont aussi quasi indépendants des charges qu’ils supportent. Ils ne fonctionnement que dans un seul sens pour cela, un diviseur de débit est généralement installer avec deux clapets de non-retour.
Caractéristiques et dimensionnement du régulateur de débit
On a besoin d’une régulation de vitesse seulement dans le sens de pliage (un seul sens), pour cela on choisit le type de montage en dérivation qui permet d’obtenir le rendement le plus élevé, car le débit excédentaire de la pompe retourne au réservoir à travers le régulateur de débit et non plus à travers le limiteur de pression : [17], [18].
On choisit les caractéristiques suivantes :
Régulateur de débit à deux voies (la variation de la charge au récepteur est indépendant du débit d’alimentation et par suite de la vitesse de translation).
Peut supporter une pression P=250 bars
Marge de réglage de débit de 0 à 2 GPM
CONCLUSION
Donc comme on a déjà vue, la plupart des entreprises dans le marché libanais utilisent des méthodes primaires pour construire une calotte hémisphère à cause du prix élevé d’une flanging machine importer des pays industrielles, sans oublier les frais supplémentaires du billet, d’hébergements et son tarif. D’où la présence de nombreux inconvénients ; on distingue :
Besoins excessifs de mains d’œuvre ;
Prix élevé de construction ;
Nécessité de long temps pour la construction ;
Discontinuité dans la production ;
Pas de possibilité de déformer dans le lieu géométrique voulu ;
Besoin d’une moule spéciale pour chaque diamètre ;
Nécessité de coupage, laminage et ensuite soudage des morceaux dans le cas de la déformation d’une demi-sphère.
Donc, on a eu l’idée de construire une « flanging machine » automatisée qui répond au besoin du marché local. On effectue une étude complète de l’effort maximale nécessaire pour déformer un disque métallique en basant sur les données suivantes :
Plaque en acier S235 (E24)
Diamètre maximale de l’hémisphère après déformation D = 1,2 m
Epaisseur maximale de la plaque e = 8mm.
Le disque métallique est assemble sur la machine manuellement en le mettant simplement sur les appuis et en alignant le milieu de la plaque avec l’axe de centrage, une simple impulsion sur un bouton poussoir permet le démarrage et fonctionnement complètement automatise de la machine à l’aide d’un PLC siemens programme. Un motoréducteur hydraulique permet la rotation continue du galet et par suite la rotation de la plaque a une vitesse v = 45tr/mn. Le mécanisme de la machine est hydraulique. La structure est une combinaison entre structure mécanique et métallique.
En plus notre machine peut être modifiée pour devenir une machine universelle . En équipant la base par une moule et le vérin central par l’extrémité convenable, la machine se transforme en presse hydraulique, et il peut servir pour obtenir une calotte sphérique par la méthode de forgeage par pression.
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Table des matières
Chapitre I : Etude Bibliographique
Introduction
1. Techniques de fabrication
1.1. Méthode de forgeage par pression
1.2. Méthode de pliage en bout
1.3. Méthode de construction métallique
2. Notre machine
3. Choix des matériaux de base
3.1. Désignation des normes
Chapitre II : Conception préliminaire de la machine
1. Calcul de l’effort nécessaire pour déformer la plaque
1.1. Démarche et étape de fonctionnement de la machine
1.2. Etapes de fonctionnement
1.3. Résultats et données conclus par la simulation
2. Résultats obtenus de la simulation
3. Calcul de la force radial et axial maximal
Chapitre III : Calcul des éléments de la machine
Calcul de conception mécanique
1. Axe de centrage
1.1. Calcul de dimensionnement du roulement (pièce no. Sur la figure) supportant la charge axiale maximale
1.2. Calcul du coussinet supportant la charge radiale maximale
1.3. Dimensionnement de l’arbre de transfert du mouvement
1.4. Dimensionnement des boulons de fixation du support métallique à la structure de la machine
2. Vérins verticaux effectuant la déformation
2.1. Calcul de dimensionnement du roulement supportant la charge axiale maximale
2.2. Calcul de dimensionnement du coussinet supportant la charge radiale maximale
2.3. Calcul de dimensionnement de l’arbre de transfert de mouvement
2.4. Dimensionnement des boulons de fixation des axes sur la structure de la machine
3. Les appuis supportant la plaque (6 appuis)
3.1. Calcul de dimensionnement du roulement supportant la charge axiale maximale
3.2. Calcul du coussinet supportant la charge radiale maximale
3.3. Calcul de dimensionnement de l’arbre de transfert de mouvement
3.4. Calcul du coussinet de la structure cylindrique des appuis supportant la charge radiale
3.5. Calcul de dimensionnement des boulons de fixation
4. Calcul de dimensionnement de la structure métallique principale
4.1. Calcul des soudures de la poutre supportant les vérins verticaux
4.2. Calcul des soudures des colonnes
4.3. Dimensionnement des deux glissières de translation horizontale des deux vérins verticaux
4.4. Dimensionnement de la plaque porte motoréducteur
4.5. Dimensionnement de la profile IPER constituant la base de la machine
5. calcul de dimensionnement des éléments assurant la rotation de la plaque
5.1. Calcul de dimensionnement du roulement supportant la charge axiale maximale
5.2. Calcul du coussinet supportant la charge radiale maximale
5.3. Calcul de dimensionnement de l’arbre de transfert de mouvement
6. Calcul de conception hydraulique
Introduction
6.1. Caractéristiques et dimensionnement des vérins hydrauliques double effet
6.1.1. Les caractéristiques du vérin
6.1.2. Détermination de l’alésage d’un vérin standard
6.1.3. Vérification de la tige au flambage
6.1.4. Dimensionnement des vérins
6.1.5. Dimensionnement des vérins
6.1.6. Dimensionnement des vérins
6.1.7. Dimensionnement du vérin
6.2. Caractéristiques et dimensionnement de la pompe hydraulique
6.3. Caractéristiques et dimensionnement du moteur électrique
6.4. Caractéristiques et dimensionnement des tuyauteries
6.5. Caractéristiques et dimensionnement des distributeurs
6.6. Caractéristiques et dimensionnement des diviseurs de débit
6.7. Caractéristiques et dimensionnement du régulateur de débit
6.8. Caractéristiques et dimensionnement du limiteur de pression
6.9. Caractéristiques et dimensionnement du moteur hydraulique
6.10. Caractéristiques de l’huile Hydraulique
6.11. Caractéristiques et dimensionnement du réservoir
Chapitre IV : CONCLUSION
Reference
Annexe 1 : Roulements a rouleau sphériques
Annexe 2 : Abaque de flambement
Annexe 3 : Abaque de détermination du diamètre des tuyaux
Annexe 4 : symboles hydrauliques
Annexe 5 : vérins hydrauliques
Annexe 5 : tableau des contraintes et des déformations de la plaque durant les phases de fonctionnement
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